Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 621.317

ПРОБЛЕМИ ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ РЕФРАКТОМЕТРА НА ОСНОВІ ПРОЗОРИХ ПОРОЖНИСТИХ ЦИЛІНДРІВ

Долина В.Г.

Вступ

Розвиток вітчизняної економіки нероздільно пов’язаний з вирішенням проблем комплексної автоматизації. В галузях, що займаються переробкою рідких продуктів важливе місце займають пристрої, які дозволяють визначити склад рідини. Серед цих пристроїв важливе місце займають рефрактометри.

В праці [1] запропоновано модель первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів (ППЦ). Але виявилося, що результати вимірювання вмісту сухих речовин за допомогою рефрактометрів суттєво залежать від впливу дестабілізуючих факторів, зокрема температури навколишнього середовища та вимірюваної рідини та забруднення внутрішньої стінки ППЦ. Зміна температури призводить до зміни щільності рідини та самого ППЦ, а це, в свою чергу, відбивається на результатах вимірювання. Також, як показали експериментальні дослідження в реальних умовах цукрового виробництва, на точність вимірювання впливає поступове, досить повільне забруднення внутрішньої стінки ППЦ речовинами, що на ній осідають.

Ця стаття присвячена вирішенню проблеми впливу температури та забруднення внутрішньої стінки ППЦ на передавальні характеристики первинних перетворювачів рефрактометра на основі ППЦ.

Постановка проблеми

Для побудови моделі рефрактометра в праці [2] розглянуто процес проходження випромінювання через ППЦ із рідиною всередині. ППЦ з рідиною представлений у вигляді двох середовищ з різними показниками заломлення nц і nр відповідно. Було отримано математичні моделі проходження світла крізь ППЦ. На основі цих моделей в праці [1] запропоновано модель первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ. Проте і ППЦ і рідина всередині ППЦ мають власні температурні коефіцієнти показника заломлення  для ППЦ та  для рідини. Тому для підвищення точності вимірювання необхідно провести дослідження впливу температури на передавальну характеристику первинного перетворювача рефрактометра.

У процесі опромінення ППЦ пучком рівнобіжних променів відбувається їхнє розсіювання. На характеристику розсіювання впливає також рідина, що знаходиться усередині ППЦ. Для вирішення задачі розподілу вихідного потоку ППЦ у просторі правомочна заміна пучка рівнобіжних променів на промінь, що сканує поперек поверхні ППЦ паралельно лінії реєстрації [3]. Багаторазово відбиті промені, що не роблять істотного впливу на результуючу картину розсіювання, при цьому не розглядаються.

Вплив температури можна поділити на два випадки: коли температура ППЦ однакова у всьому об’ємі ППЦ, коли температура ППЦ на внутрішньому колі відмінна від температури на зовнішньому колі ППЦ. Зміна температури будь якого з середовищ призводить до зміни кута виходу променя з ППЦ θ завдяки зміні показника заломлення цього середовища [1].

Наступним фактором, що вносить похибку у результати вимірювання є забруднення внутрішньої стінки ППЦ речовинами, що на ній осідають. Для видалення цих речовин необхідно періодично промивати ППЦ зсередини промиваючою рідиною. Для цього в конструкцію пристрою необхідно ввести можливість автоматично подавати всередину ППЦ рідину для промивання.

Виникає проблема побудови моделі первинного перетворювача рефрактометра, що враховує вплив зазначених факторів, і розробки на її основі структурних рішень, що забезпечують точність вимірювання незалежно від температури і забруднення внутрішньої стінки ППЦ.

Модель впливу температури і забруднень на передавальну характеристику рефрактометра

Спочатку розглянемо модель впливу температури у випадку, коли температура ППЦ однакова у всьому об’ємі ППЦ. Тоді температурний коефіцієнт показника заломлення середовища впливає на показники заломлення середовищ наступним чином :

.                                               (1)

Подальші розрахунки кута θ з використанням рівнянь (1) виконуються згідно з методикою описаній у праці [1].

Тепер розглянемо модель, коли температура ППЦ на внутрішньому колі відмінна від температури на зовнішньому колі ППЦ. Тоді необхідно оцінити вплив різниці температур ППЦ на внутрішньому ш зовнішньому колах. При цьому розподіл температури в середині стінки ППЦ відбувається за законом описаним формулою [4] :

 ,                                                   (2)

де R1 – внутрішній радіус ППЦ, R2 – зовнішній радіус ППЦ, Т1 – температура внутрішньої стінки ППЦ, Т2 – температура зовнішньої стінки ППЦ, r – проміжний радіус, T(r) – температура ППЦ на радіусі r, як показано на рисунку 1.

Рис. 1 розподіл температур всередині ППЦ

 

Проте для визначення впливу розподілу температури на передавальну характеристику реального первинного перетворювача рефрактометра на основі ППЦ слід враховувати динаміку зміни температури рідини, точну кількість рідини, що подається у ППЦ, температурні властивості конструктивних елементів первинного перетворювача, які мають механічний контакт з ППЦ, та багато інших параметрів, які можуть впливати на розподіл температури у первинному перетворювачі. Врахувати всі ці фактори дуже технічно складно, тому в конструкції первинного перетворювача доцільно буде застосувати температурну стабілізацію рідини, що вимірюється, та самого ППЦ. Цю задачу можна вирішити наступним чином: для стабілізації температури рідини пропустити її через теплообмінник, що живиться стабілізуючою водою постійної, або такої, що дуже повільно змінюється, температури, а сам первинний перетворювач розмістити всередині термостата, що живиться тією самою стабілізуючою водою. Таким чином для врахування впливу температури буде достатньо виміряти температуру всередині термостата і ввести її значення до моделі первинного перетворювача, що наведена у [2], за допомогою рівнянь (1).

Очищення внутрішньої стінки ППЦ можна здійснити, додавши до рефрактометра два клапани, що будуть по черзі під`єднувати до первинного перетворювача канал з рідиною для промивання та канал з рідиною, що вимірюється.

Проте, у разі використання в якості рідини для промивання дистильованої води, яка не містить у собі розчинених сухих речовин, можна додатково проводити калібровку рефрактометра, визначаючи відхилення показника заломлення від його значення при температурі 20 °С. Для цього спочатку подаємо в ППЦ дистильовану воду. Після очищення внутрішньої стінки ППЦ проводимо вимірювання показника заломлення дистильованої води (при 20 °С показник заломлення дистильованої води nо = 1.3329):

,                                                   (3)

де KП  - номінальний коефіцієнт передачі пристрою,  - відносна зміна коефіцієнта передачі пристрою, i = 1, 2, 3 ... - порядковий номер вимірювання значення показника заломлення,  - показник заломлення дистильованої води.

Результат вимірювання показника заломлення дистильованої води Nвi після кожного i -го вимірювання слід порівнювати з величиною

.                                                                  (4)

Якщо Nвi ¹ N1,  то необхідно задати таку яскравість випромінювача за рахунок зміни струму через випромінюючий світлодіод, щоб зменшити відносну зміну коефіцієнта передачі пристрою  і забезпечити рівність Nвi = N1 з похибкою, що не перевищує значення DNДОД – додаткова складова похибки. Таким чином:

,                                                                 (5)

де Nво – результат виміру показника заломлення дистильованої води при температурі 20 °С,  – похибка вимірювання. .

З урахуванням (5) результат вимірювання показника заломлення дистильованої води в загальному випадку, коли температура навколишнього середовища і вимірюваної води не дорівнює 20°С, при виставленій яскравості випромінювання може бути зазначений формулою:

,                                                  (6)

де  - похибка вимірювання показника заломлення зразкової міри, приведена до входу пристрою.

Після визначення відхилення показника заломлення дистильованої води подаємо до ППЦ рідину, що вимірюється, і при встановленій яскравості випромінювача вимірюємо показник заломлення досліджуваної рідини:

,                                                    (7)

де  - показник заломлення досліджуваної рідини;  - похибка вимірювання показника заломлення досліджуваної рідини, приведена до входу пристрою.

Після вимірювання показника заломлення вимірюваної речовини одержуємо:

.                                         (8)

Відповідно до формули (8) похибка вимірювання показника заломлення досліджуваної рідини nр  буде мінімальною за умови

                                                                     (9)

Для виконання рівняння (9) необхідно забезпечувати підтримку постійної температури впродовж обох тактів вимірювання дистильованої води і вимірюваної речовини, що може бути досягнуте за допомогою води, що стабілізує температуру. При цьому можна відмовитись від вимірювання температури первинного перетворювача.

Структура рефрактометра

З урахуванням наведених вище міркувань ми отримуємо структуру автоматичного рефрактометра, що має у своєму складі такі додаткові елементи: теплообмінник; термостат з розташованою в ньому ізольованою ємністю, в середині якої знаходиться первинний перетворювач рефрактометра; два клапани, що під’єднують до ППЦ канали з вимірюваною рідиною та дистильованою водою та трійник для об’єднання цих двох каналів в один. Структура рефрактометра зображена на рисунку 2.

 

Рис. 2 Структура автоматичного рефрактометра
на основі прозорих порожнистих циліндрів

 

Вимірювана речовина і дистильована вода, проходячи через теплообмінник отримують температуру води, що стабілізує температуру. Первинний перетворювач знаходиться у середині термостату, температура якого підтримується за допомогою тієї самої води, що стабілізує температуру. Керування клапанами, цифро–аналоговим перетворювачем, фотоприймачем, вирахування необхідних поправок та обчислення вмісту сухих речовин в досліджуваній рідині виконує мікроконтролер сімейства AVR фірми Atmel.

Висновки

Отримана конструкція автоматичного рефрактометра на основі ППЦ, за допомогою якої вирішуються проблема впливу температури на результати вимірювання та проблема забруднення внутрішньої стінки ППЦ. Як показали експериментальні дослідження, похибка вимірювання показника заломлення за допомогою рефрактометра описаної конструкції не перевищила ± 0,5×10-4  при зміні температури вимірюваної рідини від 15 до 65°С.

 

Solution of temperature and transparent hollow cylinder internal wall contamination influencing problems of refractometer on exactness of dry matters in liquids maintenance measuring is offered. Temperature Influence on transmission description of refractometer primary transformer on the basis of transparent hollow cylinders is analysed. The structure of automatic refractometer is offered on the transparent hollow cylinders basis, that allows to remove temperature influencing of the measured matter and prevent transparent hollow cylinder internal wall contamination.

 

1.                  Теленик С.Ф., Гришко В.Ф., Долина В.Г. Моделі первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів. // Автоматика. Автоматизація. Електротехнічні комплекси і системи. №1(15), Херсон 2005, с.124 - 139

2.                  Долина В.Г. Передавальні характеристики первинних перетворювачів рефрактометрів на основі прозорих порожнистих циліндрів. // Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. Збірник наукових праць, випуск 30, Харків 2005 – с.247-249.

3.                  Smithgall D.H. Light scattering model for the determination of fiber location in silicone coatings. Applied Opt., 1982, v.21, №7, p.1326-1331.

4.                  Нащокин В.В.  Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., испр. и доп. — М: Высш. школа, 1980. — 469 с.

 

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Информационно-измерительные системы

Ковальов О.І. Вимірювання у процесно-орієнтованих стандартах

Полякова М.В., Ищенко А.В., Худайбердин Э.И. Порогово-пространственная сегментация цветных текстурированных изображений на основе метода JSEG

Дзюбаненко А. В. Организация компьютерных систем для анализа изображений

Гордеев Б.Н., Зивенко А.В., Наконечный А.Г. Формирование зондирующих импульсов для полиметрических измерительных систем

Богданов А.В., Бень А.П., Хойна С.И. Релаксация обратного тока диодов Шоттки после их магнитно-импульсной обработки (МИО)

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Проектирование измерителя добротности варикапов

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Оптимизированная модель измерителя доб-ротности варикапов

Руднєва М.С., Кочеткова О.В., Задорожній Р.О. Принципи побудови оптимальної структури інформаційно-вимірювальної системи геометричних розмірів об’єктів в діапазоні від 1 нм до 1000 нм

Биленко М.С., Рожков С.А., Единович М.Б. Идентификация деформаций пе-риодических структур с использованием систем технического зрения

Рашкевич Ю.М., Ковальчук А.М., Пелешко Д.Д. Афінні перетворення в модифікаціях алгоритму RSA шифрування зображень

Дидык А.А., Фефелов А.А, Литвиненко В.И., Шкурдода С.В., Синяков Ф. В. Классификация масс-спектров с помощью кооперативного иммунного алгоритма

Клименко А.K. Обратная модель для решения задач в системах с многосвязными динамическими объектами

Завгородній А.Б. Порівняльне дослідження твердотільних і рідиннофазних об'єктів методом газорозрядної візуалізації

Голощапов С.С., Петровский А.В., Рожко Ж.А., Боярчук А.И. Измерение доб-ротности колебательного контура на основе метода биения частот

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С. Диагностирование критерия безопасности при заполнении замкнутых объемов СПЖ косвенным методом

Самков О.В., Захарченко Ю.А. Застосування алгоритму клонального відбору для побудови планів модернізації авіаційної техніки

Попов Д.В. Метод формування регламентів технічного обслуговування повітряних суден

Казак В.М., Чорний Г.П., Чорний Т.Г. Оцінювання готовності технічних об’єктів з урахуванням достовірності їх контролю

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Технические аспекты проектирования цифрового измерителя добротности варикапов

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Технические аспекты проектирования устройства для разбраковки варикапов по емкостным параметрaм и добротности

Сосюк А.В. Інтелектуальний автоматизований контроль знань в системах дистанційного навчання

Соколов А.Є. Деякі аспекти систезу комп’ютеризованої адаптивної системи навчання

Полякова М.В., Волкова Н.П., Іванова О.В. Сегментація зображень стохастичних текстур амплітудно-детекторним методом у просторі вейвлет-перетворення

Луцкий М.Г., Пономаренко А.В., Филоненко С.Ф. Обработка сигналов акустической эмиссии при определении положения сквозных дефектов

Литвиненко В.И., Дидык А.А., Захарченко Ю.А. Компьютерная система для решения задач классификации на основе модифицированных иммунных алгоритмов

Лубяный В.З., Голощапов С.С. Прямоотсчетные измерители расхождений емкостей

Беляев А.В. Построение навигации для иерархических структур в WEB-системах и системах управления WEB-сайтом

Терновая Т.И., Сумская О.П., Слободянюк И.И., Булка Т.И. Контроль качества тканей специального назначения с помощью автоматических систем.

Шеховцов А.В. Інформаційний аспект: розпізнавання образів індивідуума.

Полякова М.В. Определение границ сегмента упорядоченной текстуры на изображении с однородным фоном с помощью многоканального обнаружения пачки импульсов.

Литвиненко В.И. Прогнозирования нестационарных временных рядов с помощью синтезируемых нечетких нейронных сетей

Ковриго Ю.М., Мисак В.Ф., Мовчан А.П., Любицький С.В. Автоматизована система діагностики генераторів електростанцій

Браїловський В.В., Іванчук М.М., Ватаманюк П.П., Танасюк В.С. Керований детектор імпульсного ЯКР спектрометра

Забытовская О.И. Построение функции полезности по экспериментальным данным.

Шиманські З. Апаратні засоби сегментації мовного сигналу

Хобин В.А., Титлова О.А. К вопросу измерения парожидкостного фронта в дефлегматоре абсорбционно-диффузионной холодильной машины (АДХМ)

Фефелов А. А. Использование байесовских сетей для решения задачи поиска места и типа отказа сложной технической системы

Слань Ю. М., Трегуб В. Г. Оперативна нейромережна ідентифікація складних об’єктів керування

Ролик А.И. Модель управления перераспределением ресурсов информационно-телекоммуникационной системы при изменении значимости бизнес-процессов

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С., Якимчук С.Г. Изучение электрического поля с помощью датчика измерителя электростатического потенциала на модели замкнутого металлического объема

Грицик В.В. Застосування штучних нейронних мереж при проектуванні комп’ютерного зору.

Гасанов А.С. Информационные технологии построения систем прогнозирования отказов

Шеховцов А.В., Везумский А.К., Середа Е.С. Алгоритм сжатия информации без потерь: модифицированный алгоритм LZ77

Ходаков В.Е., Жарикова М.В., Ляшенко Е.Н. Методы и алгоритмы визуализации пространственных данных на примере моделирования распространения лесных пожаров.

Полякова М.В., Крылов В.Н. Обобщённые масштабные функции с компактным носителем в задаче сегментации изображений упорядоченных текстур. – C. 75 – 84.

Полторак В.П., Дорогой Я.Ю. Система распознавания образов на базе нечеткого нейронного классификатора.

Литвиненко В.И. Синтез радиально-базисных сетей для решения задачи дистанционного определения концентрации хлорофилла.

Бражник Д.А. Управление совмещением изображения объекта в сцене и эталонного изображения.

Бабак В.П., Пономаренко А.В. Локализация места положения сквозных дефектов по сигналам акустической эмиссии.

Мороз В. В. R-D проблема и эффективность систем сжатия изображений.

Крылов В.Н., Полякова М.В., Волкова Н.П. Контурная сегментация в пространстве гиперболического вейвлет-преобразования с использованием математической морфологии.

Квасников В.П., Баранов А.Г. Анализ влияния дестабилизирующих факторов на работу биканальной координатно-измерительной машины.

Казак В.М., Гальченко С.М., Завгородній С.О. Аналіз можливості застосування імовірнісних методів розпізнавання для виявлення пошкоджень зовнішнього обводу літака.

Тищенко И.А., Лубяный В.З. Управление коммутационными процессами в интегрированных сетях связи.

Корниенко-Мифтахова И.К.,Филоненко С.Ф. Информационно-измерительная система для анализа характеристик динамического поведения конструкций.

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Модель измерителя емкости с линейной шкалой измерений.

Полякова М.В., Крылов В.Н. Мультифрактальный метод автоматизированного распознавания помех на изображении.

Рожков С.О., Федотова О.М. Алгоритм розпізнавання дефектів тканин для автоматичної системи контролю якості.

Бражник Д.А. Использование проективного преобразования для автоматизации обнаружения объектов.

Ходаков В.Є., Шеховцов А.В., Бараненко Р.В. Математичні аспекти створення автоматизованої системи „Реєстр виборців України”